含水煤巖單軸壓縮微震信號特征試驗研究*

劉玉春，趙揚鋒，張　超，程傳杰

(1.遼寧工程技術大學 理學院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

0　引言

煤層底板突水是威脅礦井安全生產的重大問題。近年來，隨著科學技術的進步，煤礦生產與建設過程中的裝備、工藝、技術都有了極大的提高，但煤礦突水事故卻頻繁發生，隨著礦井水文地質條件的復雜化，突水事故還會越來越嚴重。煤礦底板突水由于其發生機理復雜，前兆信息難以捕捉，因此預測非常困難，雖提出了許多預測方法，但目前的預測準確率仍達不到令人滿意的程度。

微震技術是近年來出現的一種新的預測方法，對于微震技術的研究有著非常廣闊的應用前景：如沖擊地壓、煤與瓦斯突出、煤層底板突水等。微震的本質是煤巖體彈性波的釋放，是材料內部由于應力應變的瞬間變化而釋放的彈性應變能，其與材料內部的微小裂隙的產生、擴展以及閉合有關。利用微震技術預測煤層底板突水的關鍵在于了解含水煤巖在壓力作用下的微震信號特征規律, 并且得出能夠準確反應煤層底板突水過程中的危險程度。

對巖石的微震實驗[1-3]研究，大多是以礦山現場微震數據為基礎，對巖石破裂微震信號進行研究。許曉陽等[4]研究了混凝土、原煤試樣在單軸壓縮加載破壞過程中微震信號的頻譜特征并進行對比；楊永杰[5]對煤巖強度、變形及微震特征進行較系統地分析研究；王曉南等[6]研究由頂板-煤體-底板所構成的煤巖組合體變形破裂聲發射和微震的規律，得到不同組合試樣在受載破壞過程中的聲發射和微震信號；李成武等[7]通過所搭建的大型振動試驗裝置和微震監測系統，探究不同激勵加速度和頻率條件下整體煤巖試件的振動破壞特性；朱權潔等[8]利用大型煤與瓦斯突出模擬試驗系統和高靈敏微震監測系統，開展瓦斯突出全過程監測試驗，有效收集了從突出孕育到發生完成全過程的微震動響應事件；唐書恒等[9]進行了飽和含水煤巖單軸壓縮破裂實驗以及聲發射測試；于巖斌等[10]利用MTS電液伺服巖石試驗系統對煤巖試件進行了飽水與自然2種狀態下的單軸壓縮與拉伸試驗，發現與自然狀態煤樣相比，飽水煤樣單軸抗壓強度降低了26.71%，彈性模量降低26.85%，軸向應變增大，普氏系數與泊松比均有所降低；秦虎等[11]進行不同含水率煤樣在常規單軸壓縮下的聲發射特征試驗，發現含水率的不同使煤樣的強度和聲發射特征產生明顯差異，隨著含水率的增加，煤樣的單軸抗壓強度逐漸減小；羅浩等[12]研究含水煤體失穩破壞過程中電荷感應規律；趙揚鋒等[13]建立了巖石變形破裂過程多參量綜合監測系統，包括微震、電荷感應、自電位和聲發射等監測手段，研究了花崗巖和大理巖在不同加載速率下變形破裂過程多參量變化規律。

綜上所述，雖然許多學者對巖石變形破裂過程的微震信號變化規律進行了大量的實驗研究，不斷增強了人們對煤巖微震信號特性的認識，但是對含水煤巖變形破壞過程中微震信號特征方面的研究涉及較少。因此本文采用自制的煤巖微震監測系統，對干燥煤巖和含水煤巖進行單軸壓縮試驗，觀測煤巖變形破壞過程的微震信號變化規律，研究成果對煤層底板突水微震監測具有重要的實際意義。

1　實驗研究

1.1　試驗樣品

試驗所用試樣為煤巖，均取自阜新當地煤礦，切割獲得尺寸為φ50 mm×100 mm的試樣，將兩端磨平 (端面的平行度控制在±0.1 mm以內)，處于自然干燥狀態。選取煤巖巖樣12塊分成2組，一組6個，煤樣不做任何改變，保持自然干燥狀態；另一組6個，煤樣浸泡于水中置放48 h，進行飽水處理，從而制成試驗所需的飽和含水與干燥煤樣。

1.2　試驗系統

試驗系統包括加載和載荷-位移記錄系統，微震信號數據采集系統組成。微震信號數據采集系統采用自行研制的多通道數據采集器，采樣頻率最高100 kHz/Ch，實驗時采樣頻率設為12.5 kHz/Ch。實驗時該試驗系統可同步采集載荷、位移、微震信號，其中微震信號3通道。微震傳感器選擇1個PS-10B(垂向)與2個PSH-10B (水平向)速度傳感器組裝成3分向傳感器，該傳感器對于頻率在10 Hz至1.4 kHz內的振動信號能夠平坦響應。微震傳感器的前端放大器增益為32倍，經過標定微震傳感器靈敏度為22.7±5% V/m/s，可測的振動速度范圍為±2.1×10-7～6.883×10-3m/s，該傳感器用耦合劑粘貼于試驗機試驗臺上。本文對干燥煤巖和飽水煤巖進行了加載速度為0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s的微震監測試驗。

2　試驗結果分析

2.1　不同加載速度下煤單軸壓縮全過程微震信號變化特征

圖1～3分別是加載速度為0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s時煤樣單軸壓縮全過程的時間應力曲線和時間微震信號關系曲線。

由圖1～3可知：干燥煤巖在加載速度為0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s時的峰值強度分別為4.689 MPa，6.037 MPa，11.2 MPa，隨著加載速度的增大煤巖的峰值強度也增大，峰值前變形幾乎是線彈性的，隨著加載速度的增大峰值強度前后的應變比和時間比都增大，隨著加載速度的增大煤巖應力達到峰值強度后更容易發生破壞。煤巖變形破裂過程可分為壓實階段、線彈性變形階段和破裂發展階段。在壓實階段，煤體中含有大量的孔隙和裂隙發生閉合，引起輕微的微震信號，信號幅值都在0.5×10-3m/s以下；在線彈性變形階段，由于煤體的變形及破裂是不連續的，是陣發性的，接收到的微震信號也是不連續的、陣發性的，微震信號幅值可達2×10-3m/s；在破裂發展階段，煤體中產生大量的微裂紋并匯合、貫通，形成大的裂隙，直至煤體破壞，在此階段接收到的微震信號最強，微震事件數也最多，微震信號幅值達到6×10-3m/s。在煤巖應力達到煤巖峰值強度前煤巖體都會產生振幅很大的微震信號，幅值可達6×10-3m/s，當加載速度為0.2 kN/s時，煤巖應力在209.5 s達到峰值強度，在208.64 s產生微震信號，且信號幅值達到6×10-3m/s(見圖1)；當加載速度為0.4 kN/s時，煤巖應力在268.5 s達到峰值強度，在260.32 s產生微震信號，且信號幅值達到6×10-3m/s(見圖2)；當加載速度為0.6 kN/s時，煤巖應力在161.7 s達到峰值強度，在158.47 s產生微震信號，且信號幅值達到6×10-3m/s(見圖3)。隨著加載速度的增大，煤體產生微震信號事件數也顯著增多，大振幅的微震信號也增多。

圖1　加載速率為0.2 kN/s時煤的微震信號、應力與時間關系曲線Fig.1　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for coal at the rate of 0.2 kN/s

圖2　加載速率為0.4 kN/s時煤的微震信號、應力與時間關系曲線Fig.2　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for coal at the rate of 0.4 kN/s

圖3　加載速率為0.6 kN/s時煤的微震信號、應力與時間關系曲線Fig.3　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for coal at the rate of 0.6 kN/s

2.2　不同加載速度下飽和含水煤巖單軸壓縮全過程微震信號變化特征

圖4～6分別是加載速度為0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s時飽和含水煤樣單軸壓縮全過程的時間應力曲線和時間微震信號關系曲線。

圖4　加載速率為0.2 kN/s時飽和含水煤的微震信號、應力與時間關系曲線Fig.4　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for moisture-containing coal at the rate of 0.2 kN/s

圖5　加載速率為0.4 kN/s時飽和含水煤的微震信號、應力與時間關系曲線Fig.5　Relationship curves among microseismic signals, stress and time for moisture-containing coal at the rate of 0.4 kN/s

圖6　加載速率為0.6 kN/s時飽和含水煤的微震信號、應力與時間關系曲線Fig.6　Relationship curves among microseismic signals, stressand time for moisture-containing coal at the rate of 0.6 kN/s

由圖4～6可知：飽和含水煤巖在加載速度為0.2 kN/s，0.4 kN/s，0.6 kN/s時的峰值強度分別為2.985 MPa，5.264 MPa，4.916 MPa，隨著加載速度的增大煤巖的峰值強度也增大，與干燥煤巖相比峰值強度降低，在峰值強度后發生失穩破壞的時間也較長，煤巖含水后降低了煤巖的沖擊傾向性。飽和含水煤巖變形破裂過程可分為壓實階段、線彈性變形階段和破裂發展階段，與干燥煤巖變形破裂過程大致相同，在壓實階段，微震事件數和信號幅值都較少，隨著應力的增大，微震事件數和信號幅值都增大，在破裂發展階段，微震事件數和信號幅值迅速增大，大幅值的微震事件顯著增多。在相同加載速度下，飽和含水煤巖的峰值強度降低，微震信號事件數和信號幅值也降低。飽和含水煤巖在變形破裂過程中在應力降時有較大的微震信號，這是由于在應力降發生時，煤體形成大的裂隙，釋放出較大能量，因此產生大振幅的微震信號。當加載速度為0.2 kN/s時，煤巖應力在299.7 s達到峰值強度，而在335.46 s產生較大微震信號，信號幅值達到2×10-3m/s(見圖4)，在煤樣破壞前產生的微震事件數較小，且信號幅值也不大，僅達到2～2.5×10-3m/s；當加載速度為0.4 kN/s時，煤巖應力在132.6 s達到峰值強度，在85.32 s產生微震信號，且信號幅值達到5.2×10-3m/s(見圖5)；當加載速度為0.6 kN/s時，煤巖應力在55.4 s達到峰值強度，在44.8 s產生微震信號，且信號幅值達到5.3×10-3m/s(見圖6)。飽和含水煤巖隨著加載速度的增大，煤體產生微震信號事件數也顯著增多，大振幅的微震信號也增多。

4　結論

1)自然干燥煤巖和飽和含水煤巖隨著加載速度的增大煤巖的峰值強度也增大，與自然干燥煤巖相比，飽和含水煤巖的峰值強度得到降低，飽和含水煤巖沖擊傾向性也降低，微震信號事件數和信號強度也降低。

2)自然干燥煤巖和飽和含水煤巖隨著加載速度的增大，煤體產生微震信號事件數也顯著增多，大振幅的微震信號事件也增多，出現應力降也即煤巖形成較大裂隙時產生強度較大的微震信號。

3)自然干燥煤巖和飽和含水煤巖變形破裂過程可分為壓實階段、線彈性變形階段和破裂發展階段。在每個階段都有微震信號產生，但在破裂發展階段，微震事件數和信號幅值最大。飽和含水煤巖塑性較強，破裂發展階段也較明顯，在表觀線彈性階段微震信號事件數和信號強度都很低，進入破裂發展階段，微震信號事件數和信號強度迅速增加。

4)對利用微震技術進行煤層底板突水預測具有一定的參考價值。通過研究不同加載速度下自然干燥和飽和含水煤巖的微震特性，有助于掌握煤層底板突水的信息特征，為災害預測奠定基礎。

[1]宋廣東, 胡賓鑫, 劉統玉，等. 基于微震信號特征的防盜采測點布置研究[J]. 中國安全生產科學技術,2016,12(1):5-10.

SONG Guangdong, HU Binxin, LIU Tongyu,et al. Research on arrangement of measuring points for anti-theft mining based on micro-seismic signal characteristics[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016,12(1):5-10.

[2]李俊平, 寇坤, 汪潮，等. 深部開采的巖石(體)聲發射/微震特征研究[J]. 安全與環境學報,2013,13(6): 195-200.

LI Junping, KOU Kun, WANG Chao, et al. On the acoustic emission and micro seismic characteristics of the rock and rock mass in deep mining activities[J]. Journal of Safety and Environment, 2013, 13(6): 195-200.

[3]朱權潔，姜福興，于正興，等. 爆破震動與巖石破裂微震信號能量分布特征研究[J]. 巖石力學與工程學報,2012,31(4): 723-730.

ZHU Quanjie, JIANG Fuxing, YU Zhengxing, et al. Study on energy distribution characters about lasting vibration and rock fracture microseismic signal[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(4): 723-730.

[4]許曉陽，王恩元，許福樂，等.煤巖單軸壓縮條件下微震頻譜特征研究[J]. 應用聲學,2010, 29(2): 148-153.

XU Xiaoyang，WANG Enyuan，XU Fule, et al. Micro-seismic frequency spectrum of coal rock under uniaxial compression[J]. Applied Acoustics, 2010, 29(2): 148-153.

[5]楊永杰. 煤巖強度、變形及微震特征的基礎試驗研究[D]. 濟南: 山東科技大學, 2006.

[6]王曉南，陸菜平，薛俊華，等. 煤巖組合體沖擊破壞的聲發射及微震效應規律試驗研究[J]. 巖土力學,2013,34(9):2569-2575.

WANG Xiaonan，LU Caiping，XUE Junhua, et al. Experimental research on rules of acoustic emission and micro seismic effects of burst failure of compound coal-rock samples [J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(9): 2569-2575.

[7]李成武,孫曉元,高天寶，等. 煤巖體振動破壞試驗及微震信號特征[J].煤炭學報,2015,40(8): 1834-1844.

LI Chengwu，SUN Xiaoyuan，GAO Tianbao，et al.Coal and rock vibration failure and the characteristics of micro-seismic signals[J].Journal of China Coal Society,2015,40(8): 1834-1844.

[8]朱權潔,李青松,李紹泉，等. 煤與瓦斯突出試驗的微震動態響應與特征分析[J].巖石力學與工程學報,2015,34(S2): 3813-3821.

ZHU Quanjie, LI Qingsong, LI Shaoquan, et al. Microseismic dynamic response and characteristic analysis of coal and gas outburst experiment[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(S2): 3813-3821.

[9]唐書恒，顏志豐，朱寶存，等. 飽和含水煤巖單軸壓縮條件下的聲發射特征[J].煤炭學報,2010,34(9): 37-41.

TANG Shuheng, YAN Zhifeng, ZHU Baocun，et al.Acoustic emission characteristics of water-saturated coals in uniaxial compression experiment [J].Journal of China Coal Society, 2010,34(9): 37-41.

[10]于巖斌,周剛,陳連軍,等.飽水煤巖基本力學性能的試驗研究[J].礦業安全與環保,2014,41(1):4-7.

YU Yanbin，ZHOU Gang，CHEN Lianjun, et al.Experimental study on basic mechanical properties of water-saturated coal[J].Mining Safety & Environmental Protection, 2014,41(1):4-7.

[11]秦虎，黃滾，王維忠.不同含水率煤巖受壓變形破壞全過程聲發射特征試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2012，31(6)：1115-1120.

QIN Hu，HUANG Gun，WANG Weizhong.Experimental study of acoustic emission characteristics of coal samples with different moisture contents in process of compression deformation and failure[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(6):1115-1120.

[12]羅浩，潘一山，李忠華,等.含水煤體失穩破壞電荷感應規律試驗研究[J]. 中國安全生產科學技術,2015,11(2):36- 41.

LUO Hao, PAN Yishan, LI Zhonghua, et al. Experimental study on charge induction law during instability and failure process of aqueous coal[J]. Journal of Safety Science and Technology,2015,11(2):36-41.

[13]趙揚鋒，劉力強，潘一山,等.巖石變形破裂微震、電荷感應、自電位和聲發射實驗研究[J]. 巖石力學與工程學報,2017,36(1):107- 123.

ZHAO Yangfeng, LIU Liqiang, PAN Yishan, et al. Experiment study on microseismic, charge induction, self-potential and acoustic emission during fracture process of rocks[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2017,36(1):107-123.